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질소반전

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1. 개요

질소 반전은 질소 원자가 결합된 분자의 입체 구조가 바뀌는 현상으로, 특히 아민에서 빠르게 일어난다. 아민의 피라미드형 구조가 뒤집히는 과정으로, 낮은 활성화 에너지와 양자 터널링으로 인해 상온에서 매우 빠르게 진행된다. 카이랄 아민은 질소 반전으로 인해 광학 이성질체 분리가 어렵지만, 포스핀, 설포늄염, 설폭사이드는 광학적으로 안정하다. 암모니아의 반전은 1934년 마이크로파 분광법으로 처음 발견되었으며, 아지리딘 반전 연구를 통해 질소 원자 주변 환경이 반전 속도에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다.

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질소반전
질소 반전
다른 이름아민 반전
피라미드 반전
로마자 표기Jilso banjeon
속성
설명질소 원자에 결합된 세 개의 치환기가 질소 원자를 통과하여 "반전"하는 현상
관련 현상입체화학
관련 화합물아민
포스핀
메커니즘
과정질소 원자가 결합된 세 개의 치환기가 질소 원자를 통과하며, 쌍극자 모멘트는 일시적으로 0이 됨
에너지 장벽6~24 kJ/mol
속도매우 빠름 (일반적으로 NMR로 측정 불가능)
영향입체 이성질체의 변환을 야기하며, 거울상 이성질체로의 변환도 가능
예시
화합물트라이메틸아민
N-메틸아제티딘
참고 문헌
도서Organic Chemistry, Paula Yurkanis Bruice, 6판, ISBN 0-7506-3365-4

2. 아민의 피라미드 반전

이 전환은 상온에서 급격하다. 에너지 장벽 (24.2 kJ/mol) 이 낮고 장벽이 좁아서 양자 터널링이 자주 일어난다. 포스핀 (PH3)의 반전은 상온에서 아주 느리다.(에너지 장벽: 132 kJ/mol).[2]

2. 1. 에너지 장벽과 반전 속도

질소 반전은 상온에서 빠르게 일어난다. 낮은 에너지 장벽(24.2 kJ/mol)과 좁은 장벽으로 인해 양자 터널링이 자주 발생한다.[2] 반면, 포스핀(PH3)의 반전은 에너지 장벽(132 kJ/mol)이 높아 상온에서 매우 느리게 진행된다.[2]

2. 2. 광학 이성질체

RR′R"N과 RR′NH 꼴의 아민은 카이랄이지만 서로 빨리 전환되어 분리가 안된다.(RR′R″HN+ 및 RR′R″R‴N+ 꼴의 암모늄염과 RR′HNO 및 RR′R″NO 꼴의 산화 아민이 광학활성 안정한 것과 대비된다.). 카이랄 포스핀, (RR′R″P and RR′PH), 설포늄염 (RR′R″S+), 설폭사이드 (RR′SO)는 대조적으로 광학안정하다.

3. 아민 반전의 발견과 연구

암모니아의 반전은 1934년, 마이크로파 분광법을 통하여 발견되었다.[3]

Nitrogen inversion Davies 2006


한 연구에 따르면, 산화된 히드로퀴논과 비교했을 때, 질소 원자를 페놀 알코올기의 가까이에 배치하는 것으로, 아지리딘의 반전이 약 50배 늦춰졌다.[4] 이 계는 산소에 의한 산화 및 아이티온산 나트륨에 의한 환원에 따라 상호변환한다.

3. 1. 아지리딘 반전 연구



한 연구에 따르면, 산화된 히드로퀴논과 비교했을 때, 질소 원자를 페놀 알코올기의 가까이에 배치하는 것으로, 아지리딘의 반전이 약 50배 늦춰졌다.[4] 이 계는 산소에 의한 산화 및 아이티온산 나트륨에 의한 환원에 따라 상호변환한다.

4. 아민 반전의 응용

참조

[1] 서적 Chemistry of the Elements Butterworth-Heinemann 1997
[2] 논문 An ab initio investigation of structure and inversion barrier of triisopropylamine and related amines and phosphines
[3] 저널 Electromagnetic waves of 1.1 cm wave-length and the absorption spectrum of ammonia
[4] 논문 Control of Pyramidal Inversion Rates by Redox Switching



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